在商用车应用中，电液控制越来越多地取代液压控制。为了提高操作人员和机器的效率并确保车辆的安全操作，需要新的具有更好的人体工程学和多种功能的控制装置。
elobau的工程团队基于多年为商用车行业(特别是农用拖拉机、建筑设备和叉车)设计扶手和控制装置的经验，开发了一种新的操纵杆手柄概念，以满足由EH控制变化所驱动的大多数新要求。
这一新概念是多年机械设计、机器安全和非接触式传感技术行业经验的结果。它结合了出色的人体工程学，创新的模块化设计，允许各种各样的控制配置围绕一个基本概念，并在手柄内的两个功能，电容传感器和CAN控制器的独特集成，使其成为一个高度集成的控制解决方案。
电液控制趋势
如今，驾驶室设计师必须满足越来越多的直接由驾驶员指尖控制的功能需求，这就导致了越来越复杂的多功能握把或把手。如果控制装置的人体工程学和视觉外观不允许即时识别功能，特别是在夜间设备操作期间，特别是如果某些控制装置不经常由操作人员激活，则这种复杂性可能会使操作人员感到困惑。
从简单开关控制的电磁阀到比例EH控制器的演变要求操纵杆手柄中有多个比例控制，输出与EH控制器输入兼容，而不是简单的按钮开关。
为了在减少疲劳的情况下实现更高的生产率，还需要增加操作人员的舒适度，从而在较长时间内安全运行设备，因此对最先进的手柄人体工程学的要求越来越多地出现在新的驾驶室设计中。许多应用程序还要求有符合人体工程学设计的控制，特别是在座椅上安装的扶手。
在大多数现代机舱设计中，手柄的美学变得越来越重要，特别是对于高端农用拖拉机，导致控制装置的表面处理类似于汽车，如铬或软垫材料。符号图形必须与手柄的美学相融合，同时必须耐磨损和环境条件，以便在车辆的生命周期内保持耐用。
图1。现代遥控驾驶室中的操纵杆手柄
此外，由于许多设备现在都是租赁的，而不是自己拥有的，因此也有提高现场使用寿命和不间断服务的趋势。因此，对于新的控制装置来说，可靠性和在最恶劣的环境中长时间工作的能力比以往任何时候都更重要。敞开式驾驶室配置、极端的温度变化、暴露于水、灰尘和各种化学试剂，以及在设备内外产生大量电磁扰动的环境中安全操作，已成为对操纵杆手柄的普遍要求。
集成CAN控制器
市场上大多数可用的操纵杆控制器都有他们的CAN电子设备位于操纵杆的底座内，因此许多电线是必要的，以连接多个手柄控制到CAN电子设备。新一代手柄的独特之处在于在手柄内部集成了高性能CAN控制器。这是为商用车辆应用开发的第一个标准系列手柄。
其中一个好处是可以限制连接到手柄和LED的电线数量，从而避免在手柄和操纵杆底座之间有一束移动的电线。这也可以节省时间和金钱在设备的生产过程中，并允许扩大控制和LED的数量，可以被纳入把手。它还可以很容易地实现一个传统的液压操纵杆基础手柄。
在没有CAN选项的配置中，导线的最大数量将被限制为14，因此也限制了可以包含在手柄内的功能的数量。
与握把集成的CAN模块的另一个优点是可以减少扶手前端所需的空间，避免与人体工程学膝盖区域发生碰撞。
图2。CAN控制器(和电容传感器)在手柄外壳内的位置
使用CAN控制器，从控制器出来的导线数量限制为4条:UB、接地、CAN- h和CAN- l。(如果CAN模块控制操纵杆底座，那么额外的电线将从底座路由到手柄)。
接口采用ISO11898规定的CAN Specification 2.0B，支持CANopen和SAE J1939标准协议。
默认波特率为250kbit /s, CANopen版本可以配置为50 ~ 1000kbit /s。
波特率kBit / s |
默认的 |
分钟。 |
Max。 |
值 |
CANopen |
250 |
50 |
1000 |
50、125、250、500、800、1000 |
J1939 |
250 |
厦门市 |
厦门市 |
厦门市 |
图3。标准CAN控制器配置
CANopen版本提供了一个Node-ID，可以在1到127之间选择(默认ID是17)。循环时间可配置为1 ~ 65535 ms(默认为100ms)。
标准CAN控制器设计为可接受多达10个模拟输入，11个二进制输入和16个二进制输出。
模拟输入通常用于主操纵杆X轴和Y轴信号，或辅助拇指轮，或模拟按钮控制。如果应用程序中需要信号冗余，每个操纵杆轴或拇指轮控制器最多需要2个模拟输入。输入电压范围为0 ~ 5V DC。
二进制输入用于按钮开关和电容式存在传感器输入。
二进制输出用于命令LED，例如用于手柄和单个控件上的背光或激活灯，或安装在手柄上的其他功能LED。
标准控制器允许在手柄上实现几种可能的配置，最大配置为:
- 面板上有8个按钮开关或5个按钮开关和2个拇指轮控制器
- 后板上有2个按钮开关或1个按钮开关和1个拇指轮
- 每个按钮开关可以有1个背光LED和1个激活LED
- 面板上的每个拇指轮可以有多个LED(参见第5段-模块化/多功能性)。
CAN控制器可接受9至36V DC的电源电压，反向极性保护可达-36V DC。最大电流消耗为500ma，最大配置包括LED (120ma不带LED)。
CAN硬件控制器根据以下标准设计，可承受车载EMC环境:
- Din en 550252
- Din iso 11452-5
- Din iso 7637-2
根据ISO/TR 10605的静电放电测试，接触放电可达±8kV，空气放电可达±15kV。
电容性存在检测
一个可选的电容式传感器被设计成内置在操纵杆手柄内。一旦操作员的手触摸位于手柄外侧的区域，传感器就会激活输出，从而允许验证操作员的存在，这可用于验证特定机器功能的激活。默认灵敏度设置检测轻手触摸，因此传感器可用于冗余存在检测，而不是作为主要的安全功能。
图4。电容式传感器区域内的处理
薄隔离手套或工作手套会在默认设置下激活电容式传感器，特殊手套，如叉车司机使用的厚冷库隔离手套则需要专门编程激活软件，以增加电容式传感器的灵敏度。如果需要这样的设置，就必须找到一种折衷方法来调整电容式传感器，使其可以徒手和厚手套工作，检测软件也必须进行相应的修改。
该传感器原理如下:与电容器一样，两个导电电极具有一定的电容。电容受电极尺寸、距离和介电常数的影响。当导电物体接近这些电极时(例如手指或操作者的手)，物体和电容传感器之间将存在一个平行电容。原来的电容会改变，这将被传感器识别。可通过控制器软件调节滞回、灵敏度、开关距离等参数。
图5。电容式传感器示意图
该传感器工作在5V直流电源电压下，并通过开路集电极输出提供高达150 mA的电压。
多功能性和模块化
36xG系列手柄有两个基本版本，右手(361G)和左手(362G)，每个版本提供多达9种不同的功能，这得益于其模块化，可互换的面板和背板，与模块化PCB概念相关联。
图6。手柄(正面、侧面和后视图)
除了可选的电容式传感器之外，每个版本(左和右)都可以安装多达三个模拟拇指轮与六个按钮开关组合或两个模拟拇指轮与七个按钮开关组合。
图7。可互换的面和后板
此外，许多其他配置是可能的，包括一个辅助四位置模拟控制安装在手柄的顶部。
图8。手柄面板采用模块化PCB
按钮可以是基于Reed技术的二进制开关，可带或不带背光和激活灯，或模拟线性霍尔效应按钮，输出0.5至4.5V。专利的Nano按钮开关安装并直接连接到PCB上。
图9。纳米按钮开关直接安装在手柄的PCB上
拇指轮控制采用霍尔效应技术，可提供单输出或冗余输出信号，可选背光和/或激活LED。
拇指轮可提供0.5至4.5 v单输出，或双冗余输出信号。
图10。拇指轮上输出电压冗余
这为组合所需的控制提供了广泛的可能性，以便操作各种各样的车辆或设备，并具有适当的背光照明，使操作人员易于识别控制，特别是在夜班操作期间。此外，关于这些控件的特定状态的可视反馈信息可以提供给操作员。
图11。霍尔效应拇指轮与三个不同颜色的led三个不同的位置
模块化的概念将被开发并扩展到更广泛的不同形状和尺寸的标准手柄，以及客户特定的设计。
人体工程学特性
设计师在设计过程的早期就考虑了各种人体工程学方面的考虑。对于这两者，手柄的左手和右手版本。
把手轴弯曲到前面和内部的方向，允许符合人体工程学的正确的手和手臂关节的角度和位置，当操纵杆握把被纳入座椅安装扶手或类似的配置。
平滑形状的集成手使操作人员的手保持在正确的人体工程学位置，以达到集成在手柄中的控制，即使在没有额外的手臂支撑的情况下，也可以提供手臂放松。
倾斜的手柄头允许对称和疲劳的拇指驱动辅助控制(按钮，拇指轮，迷你操纵杆)位于大的驱动板。
除此之外，眼对准为操作人员提供了最佳的面板视图，从而可以即时识别所有控制。
图12。处理人体工程学和设计研究
设计了一个凹进去的区域，以提供完美的抓地力，当拇指不使用时，驱动操纵杆上的手柄，保持手在最好的位置，并限制意外驱动的辅助控制。
图13。背光照明和激活LED多功能手柄。
设计及功能
为了使这个新概念的手柄可以安装在尽可能多的现有操纵杆上，广泛的机械接口和胶靴被设计为标准配件。
图14。可互换的轴接口和橡胶靴
因此，该手柄可以安装到市场上各种各样的机械、机电、液压或电子操纵杆上。
为了使操作人员能够更好地识别，除了各种标准图标外，还可以在按钮执行器盖上实现单独设计的符号，这些符号由背面印刷的耐磨技术保护。可用的符号区域为直径为10mm的圆形表面。
图15。带有耐磨符号板的按钮开关。
把手壳的颜色区分是驾驶员驾驶室中具有多种功能的应用的一个方便特性，并允许驾驶室设计师以有限的成本实现与竞争对手产品的最大区别。
图16。手柄有多种颜色可供选择
刚度优化的外壳概念可以承受高达1000牛的驱动力，这超过了大多数重型车辆的规格和操纵杆基础能力。
在此之后，并行的低重量策略限制了加速条件下的负惯性效应。
加固手柄外壳的材料可以抵抗最恶劣的环境，工作温度为-25至85℃，储存温度为-40℃。
根据汽车行业市场领导者制定的规格，对手柄进行了广泛的测试程序。它包括电磁兼容、冲击、振动、暴露于紫外线、湿度、灰尘、水和耐化学性测试。
摘要/结论
这种新一代多功能手柄通过结合改进的人体工程学，独特的安全功能和现代CAN电子技术，在EH控制领域开辟了新的前景。由于经过深思熟虑的设计，考虑到操作员和驾驶室设计师的广泛要求，模块化的手柄设计可以获得广泛的功能，以便为任何特定的应用或车辆提供独特的操纵杆控制器。
人体工程学、美学、符号、辅助控制、电子电路、信号接口和其他功能都可以很容易地定义和构建，而不需要经历昂贵的过程或生成新的设计，每个新应用都有新的工具和新组件。
此外，随着机械接口和各种橡胶引导适配器的可用性，该手柄可以应用于新的设计，以及改造以改进现有的设计。
典型应用包括各种机器的车辆控制，如挖掘机，轮式和反铲装载机，推土机，撬转向装载机，和其他建筑，采矿和林业车辆，以及农业拖拉机和联合收割机，叉车和其他材料搬运设备。
作者受雇于elobau传感器技术在德国的leuutkrirch和伊利诺斯州的Gurnee -联系信息可在www.elobau.com
